专利名称：一种采用气动主级分级的低污染燃烧室的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，采用该气动主级分级的组织方式的燃烧室结构简单，能够保证燃烧室在各状态点高效稳定工作的同时，都能够达到降低燃烧的污染排放的目的。
背景技术：
现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代航空发动机燃烧室来说，仍在存在大量的难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。现代航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。航空发动机燃烧室必须满足日益严格的航空发动机污染排放标准。目前采用的 CAEP6 (Committee on Aviation Environmental Protection)标准的要求已经非常严格，特别是对NOx污染排放要求，而随着人们对环境保护意识的增强，以后的要求将更为严格。美国航空发动机的两个著名公司GE和PW对低污染燃烧室已经着手研究，GE首先研发了双环腔低污染燃烧DAC(用于GE90和CFM56)，Pff公司采用了类RQL(富油燃烧-快熄-贫油燃烧，Rich burn-Quench-Lean burn，简称RQL)低污染燃烧室TALON II(用于 PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM (Lean Direct Mixing Combustion，贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS (Twin Annular Premixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室在台架全环试验验证中，NOx污染排放比 CAEP2排放标准降低了 50%。PW公司继续采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃烧室为TALON X，采用的头部形式是PW公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，在 V2500发动机扇型试验段上的试验结果比CAEP2标准降低了 50%。Rolls-Royce公司采用 LDM技术发展的低污染燃烧室是ANTLE，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了 50%，用于其新一代发动机湍达1000。而不管是何种先进的低污染燃烧室，其关键技术就是降低NOx (氮氧化物)、C0 ( — 氧化碳)、UHC(未燃碳氢化合物)和冒烟的燃烧技术，核心问题是降低燃烧区的温度、同时使燃烧区温度场均勻，即整体和局部的当量比控制，而主燃区当量比的均勻性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均勻性。本发明是针对航空发动机低污染燃烧的新方法。根据NOx与CO产生的机理及试验结果可知燃烧室的主燃区当量比在0. 6 0. 8范围内产生的NOx与CO(UHC和CO的排放规律类似)很少。基于此原理，要兼顾NOx与CO、UHC的排放量都处于低值范围，应考虑两个因素其一是主燃区的平均当量比，其二是主燃区平均当量比的均勻性，并且在所有航空发动机的工作情况下都应如此。而主燃区当量比的均勻性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均勻性。这主要取决于两方面一是燃油颗粒直径分布的均勻性，即SMD的分布均勻性；二则是燃油油雾浓度分布的均勻性。从燃烧方式讲，应采用均勻的预混燃烧，达到主燃区当量比均勻性要求以降低污染排放。目前的常规燃烧方式无法降低N0x、C0和UHC。原因是目前燃烧室的设计方法所决定的。对于常规燃烧室来说，在高功率状态时，由于采用液雾扩散燃烧方式，燃烧区局部当量比总是在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比范围要求，此时虽然CO和UHC的排放低，但NOx的排放达到最大。在低功率状态时，燃烧区当量比又很低，远低于上述低污染燃烧所需当量比区间，此时虽然NOx排放低，但CO和UHC排放又很高。另外，由于常规燃烧室普遍采用扩散燃烧方式，局部当量比非常不均勻，因此对于常规燃烧室来说，无法满足在整个发动机工作范围内的低污染要求。
发明内容
本发明的技术解决问题提供一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，该燃烧室在满足航空发动机的各个工作条件下，都能有效的降低航空发动机燃烧室燃烧的污染排放，包括NOx、冒烟、CO及UHC，且结构简单。本发明的技术解决方案采用气动主级分级的低污染燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧方式，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用气动分级的径向喷射供油的预混预蒸发燃烧组织方式。燃烧室主要由分流式扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、燃油喷嘴杆、火焰筒头部、火焰筒外壁和火焰筒内壁组成。火焰筒头部主要由火焰筒头部主要由预燃级、主燃级、隔离段、头部挡溅盘和头部端壁组成。预燃级包括预燃级旋流器组件、预燃级喷嘴，预燃级利用由预燃级旋流器组件进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰，预燃级旋流器组件与隔离段通过螺纹连接，预燃级喷嘴位于预燃级旋流器组件内，并与预燃级旋流器组件同轴。主燃级包括燃油喷嘴分配环、主燃级供油堵环、主燃级内旋流器、主燃级外旋流器、主燃级外环和主燃级内环组成，主燃级供油堵环与燃油喷嘴分配环内壁焊接连接，形成了主级供油通道， 燃油喷嘴分配环环面上开有一排径向的主燃级喷嘴，主燃级喷嘴与主燃级供油通道相连， 主燃级内旋流器焊接在燃油喷嘴分配环外侧，主燃级内环焊接在主燃级内旋流器外侧，主燃级内环与燃油喷嘴分配环之间形成了主燃级内环通道，主燃级外旋流器焊接在主燃级内环外侧，主燃级外环焊接在主燃级外旋流器外侧，主燃级外环与主燃级内环之间形成主燃级外环通道，主燃级外环与燃油喷嘴分配环之间形成预混预蒸发环管，主燃级外环上开有主燃级外环切向进气槽，燃油喷嘴分配环与隔离段通过螺纹连接，使得主燃级与预燃级相互连接。主燃级所需的燃油由主燃级喷嘴喷出后，在主燃级分级点前状态时首先在主燃级内环通道的气流作用下雾化形成油气混合气，然后流入预混预蒸发环管中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发环管的出口处形成均勻的油气混合气进入火焰筒外壁和火焰筒内壁内部，大部分与低速回流区稳定火焰混合；在主燃级分级点后状态时除了一部分燃油在主燃级内环通道形成油气混合气外，大部分燃油打在主燃级内环的内侧，在主燃级内环通道和主燃级外环通道的气流的作用下形成预膜蒸发模式，在预混预蒸发环管中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发环管的出口处形成均勻的油气混合气进入火焰筒外壁和火焰筒内壁内部，在预燃级的低速回流区稳定火焰的引燃下进行燃烧，大部分不进入低速回流区稳定火焰。燃油喷嘴杆内部开有主燃级油路和预燃级油路，燃油喷嘴杆与燃油喷嘴分配环焊接，主燃级油路和预燃级油路分别与燃油喷嘴分配环内部的主燃级供油通道和预燃级供油通道相通，相主燃级喷嘴和预燃级喷嘴供油，预燃级喷嘴通过螺纹连接在燃油喷嘴分配环上，燃油喷嘴杆与燃烧室外机匣相连。头部挡溅盘和头部端壁焊接，头部端壁与火焰筒外壁通过螺栓连接，头部端壁与主燃级外环通过径向和轴向定位连接。
本发明的原理是一般而言，航空发动机燃烧室低污染排放的实现主要就是通过两方面，一是控制整个燃烧室内燃烧区域的总体当量比范围；二则是控制燃烧室内整个燃烧区域的燃烧均勻性，即当量比均勻性，因为局部富油而导致的局部当量比过大也会大大增加发动机的污染排放。根据上述原理并且考虑到航空发动机燃烧室的工作特点，本发明采用分级燃烧的设计思想，使燃烧用气分别从预燃级和主燃级供入燃烧室，并将燃油进行分级供入，控制燃油在燃烧区内的当量比在航空发动机不同工作状态下都在低污染燃烧区内，从而达到降低燃烧污染排放物的目的。预燃级在慢车等主预燃级分级点前状态启动，保持主预燃级分级点前状态燃烧区的当量比落在上述低污染燃烧当量比区间内，并且使燃烧的稳定性好，容易启动。当发动机工作在主预燃级分级点后才启动主燃级，在主燃级分级点前状态时，在主燃级内环通道的气流作用下雾化形成油气混合气，然后流入预混预蒸发环管中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发环管的出口处形成均勻的油气混合气进入火焰筒外壁和火焰筒内壁内部，大部分与低速回流区稳定火焰混合，保证主燃级的油气混合气有充足的驻留时间，能够完全燃烧，从而降低分级点附近的污染排放量并提高主燃级分级点前状态的燃烧效率；在主燃级分级点后状态除了一部分燃油在主燃级内环通道形成油气混合气外，大部分燃油打在主燃级内环的内侧，在主燃级内环通道和主燃级外环通道的气流的作用下形成预膜蒸发模式，在预混预蒸发环管中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发环管的出口处形成均勻的油气混合气进入火焰筒外壁和火焰筒内壁内部，在预燃级的低速回流区稳定火焰的引燃下进行燃烧，大部分不进入低速回流区稳定火焰，保证主燃区当量比处在污染排放量较小的范围内，从而降低设计点工况附近的的污染排放量并提高主燃级分级点后状态的燃烧效率。采用上述低污染燃烧室，可确保航空发动机燃烧室在所有的工作状态下，燃烧区的当量比都控制在低污染燃烧的区间内，并且可以保证主燃级油气混合物在不同状态下都能达到充分的燃烧，同时可以通过控制主燃级油雾均勻度、混合度和蒸发度来控制燃烧区的当量比均勻度，从而达到航空发动机低污染燃烧室污染排放低、稳定性好和燃烧效率高的性能要求。本发明与现有技术相比的优点如下(1)本发明的燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧的概念设计，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，火焰筒没有主燃孔，冷却气和掺混气从火焰筒供入，增加燃烧室功效的同时简化燃烧室结构。(2)本发明的主燃级采用气动分级的预混预蒸发的燃烧组织方式。气动分级可以在不同状态下获得良好的燃油一次雾化效果的同时简化主燃级结构，控制主燃级油气混合物在不同状态下在主燃区内获得足够的停留时间，形成均勻的油气混合气射流。当这股均勻的油气混合气射流被点燃后，油气混合气可以在极短的时间内燃烧完全，从而降低燃烧室的污染排放。(3)本发明的预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用气动分级的预混预蒸发燃烧组织方式，这种组合燃烧模式可以实现航空发动机燃烧室在宽广的工作范围内高效稳定的工作，同时可以实现燃烧室低污染排放。
图1为本发明的结构剖视6
图2为本发明的火焰筒头部结构剖视图；图3为本发明的主燃级分级点后状态工作示意图；图4为本发明的主燃级分级点前状态工作示意图；图5为本发明的火焰筒头部主燃级分级点后状态工作示意图；图6为本发明的火焰筒头部主燃级分级点前状态工作示意图；图7为本发明的燃油喷嘴杆与燃油喷嘴分配环结构示意及剖视图；图8为本发明的燃油喷嘴杆底部结构示意图；图9为本发明的主燃级结构示意及剖视图；图10为本发明的主级外旋流器和主级内旋流器的结构示意及剖视图；图11为本发明的预燃级旋流器组件示意图；图中1.分流式扩压器，2.燃烧室外机匣，3.火焰筒外壁，4.燃烧室内机匣，5.火焰筒内壁，6.燃油喷嘴杆，7.火焰筒头部，8.火焰筒掺混孔，9.主燃级，10.预燃级，11.头部端壁，12.头部挡溅盘，13.隔离段，14.燃烧室进口气流，15.火焰筒头部气流，16.主燃级外环切向气流，17.主燃级轴向气流，18.预燃级气流，19.燃烧室环腔气流，20.掺混气流，21.燃烧室出口气流，22.主燃级分级点后状态主燃级火焰，23.低速回流区稳定火焰， 24.预燃级旋流器组件，25.主燃级分级点前状态主燃级火焰，26.主燃级分级点前状态油气混合气，27.预燃级燃油液雾，28.主燃级分级点后状态主级打壁燃油，29.主燃级分级点前状态油气混合气，30.主燃级油路，31.预燃级油路，32.燃油喷嘴分配环主燃级管，33.主燃级供油通道，34.预燃级供油通道，35.主燃级喷嘴，36.燃油喷嘴分配环，37.主燃级供油堵环，38.预燃级喷嘴，39.主燃级内旋流器，40.主燃级外旋流器，41.主燃级外环切向进气槽，42.主燃级外环，43.主燃级内环，44.预燃级一级旋流器，45.预燃级二级旋流器，46.主燃级内环通道，47.预混预蒸发环管，48.主燃级外环通道。
具体实施例方式如图1和图2所示，本发明采用分级燃烧方式，燃烧用气量全部由预燃级10和主燃级9供入，预燃级10采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级9采用气动分级的径向喷射供油的预混预蒸发燃烧组织方式。燃烧室主要由分流式扩压器1、燃烧室外机匣 2、燃烧室内机匣4、燃油喷嘴杆6、火焰筒头部7、火焰筒外壁3和火焰筒内壁5组成。火焰筒头部7主要由火焰筒头部主要由预燃级10、主燃级9、隔离段13、头部挡溅盘12和头部端壁U组成。燃油喷嘴杆6与燃烧室外机匣2相连。头部挡溅盘12和头部端壁11焊接，头部端壁11与火焰筒外壁3和火焰筒内壁5通过螺栓连接，头部端壁11与主燃级外环42通过径向和轴向定位连接。火焰筒外壁3和火焰筒内壁5的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。如图2，3，4，5，6所示，分流式扩压器1将燃烧室进口气流14分为三股一股为火焰筒头部气流15、其余两股为燃烧室环腔气流19，掺混气流20从火焰筒掺混孔8进入火焰筒外壁3和火焰筒内壁5内，以控制燃烧室出口温度分布。燃烧用气全部由火焰筒头部7 供入，空气分配占燃烧室进口气流的40% 80%:头部端壁11的冷却所需气量占全部燃烧气量的0% 25%，预燃级10所需气量占全部燃烧气量的10% 40%，其余由主燃级9供入。预燃级旋流器组件24与隔离段13通过螺纹连接，预燃级喷嘴38位于预燃级旋流器组件24内，并与预燃级旋流器组件24同轴，预燃级喷嘴38为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。预燃级10利用由预燃级旋流器组件24进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰23。主燃级9所需的燃油由主燃级喷嘴35喷出后，在主燃级分级点前状态时首先在主燃级内环通道46的气流作用下雾化形成主燃级分级点前状态油气混合气26， 然后流入预混预蒸发环管47中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发环管47的出口处形成均勻的油气混合气进入火焰筒外壁3和火焰筒内壁5内部，在预燃级10的低速回流区稳定火焰23的引燃下进行燃烧形成主燃级分级点前状态主燃级火焰25，大部分与低速回流区稳定火焰23混合，使主燃级分级点前状态油气混合气26能够得到充足的停留时间，从而达到提高主燃级分级点前状态的燃烧效率，降低主燃级分级点前状态的污染排放量的目的；在主燃级分级点后状态除了一部分燃油在主燃级内环通道46形成油气混合气外，大部分燃油打在主燃级内环43的内侧，在主燃级内环通道46和主燃级外环通道48的气流的作用下形成预膜蒸发模式，在预混预蒸发环管47中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发环管47的出口处形成均勻的主燃级分级点后状态油气混合气29进入火焰筒外壁3和火焰筒内壁5内部，在预燃级10的低速回流区稳定火焰23的引燃下进行燃烧形成主燃级分级点后状态主燃级火焰22，大部分不进入低速回流区稳定火焰23，从而保证主燃级分级点后状态油气混合气29尽快通过主燃区从而达到降低污染排放，特别是NOx排放的目的。如图7，8，9，10所示，主燃级9包括燃油喷嘴分配环36、主燃级供油堵环37、主燃级内旋流器39、主燃级外旋流器40、主燃级外环42和主燃级内环43组成，主燃级供油堵环37与燃油喷嘴分配环36内壁焊接连接，形成了主级供油通道33，燃油喷嘴分配环36环面上开有一排径向的主燃级喷嘴35，主燃级喷嘴35与主燃级供油通道33相连。主燃级喷嘴35采用在燃油喷嘴分配环36环面上开多个孔的喷射方式，主燃级喷嘴35所在的燃油喷嘴分配环36的轴线与预燃级喷嘴38的轴线处于同一直线上，主燃级喷嘴35的数量0 < P < 50，主燃级喷嘴切角为-90 90度。主燃级内旋流器39焊接在燃油喷嘴分配环36 外侧，主燃级内环43焊接在主燃级内旋流器39外侧，主燃级内环43与燃油喷嘴分配环36 之间形成了主燃级内环通道46，主燃级外旋流器40焊接在主燃级内环43外侧，主燃级外环42焊接在主燃级外旋流器40外侧，主燃级外环42与主燃级内环43之间形成主燃级外环通道48，主燃级外环42与燃油喷嘴分配环36之间形成预混预蒸发环管47，主燃级外环 42上开有主燃级外环切向进气槽41，开槽的方式可以为圆孔或槽或方孔或半孔。主燃级内旋流器39和主燃级外旋流器40采用的旋流器的级数1 ；每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，可以选择同向或反向；主燃级外环42的主燃级外环切向进气槽41切向角度为 10° 80°，与主燃级外旋流器40旋向相同或相反。燃油喷嘴分配环36与隔离段13通过螺纹连接，使得主燃级9与预燃级10相互连接。燃油喷嘴杆6内部开有主燃级油路30和预燃级油路31，燃油喷嘴杆6与燃油喷嘴分配环36焊接，主燃级油路30和预燃级油路31 分别与燃油喷嘴分配环36内部的主燃级供油通道33和预燃级供油通道34相通，相主燃级喷嘴35和预燃级喷嘴38供油，预燃级喷嘴38通过螺纹连接在燃油喷嘴分配环36上。如图11所示，预燃级旋流器组件24采用的旋流器的级数1 < η < 5 ；每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当预燃级旋流器组件 24的级数η = 1时，旋流器直接与隔离段13连接；当预燃级旋流器组件24的级数1 < η < 5 时，各级旋流器先连接成一个整体，组成预燃级旋流器组件24后再与隔离段13连接。
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在具体实施方案中，预燃级旋流器组件24采用η = 2的两级径向旋流器，一级旋流器44与二级旋流器45采用焊接连接方式，二级旋流器45与隔离段13通过螺纹连接，使得主燃级9与预燃级10相互连接。预燃级旋流器组件24与隔离段13通过螺纹连接，预燃级喷嘴38位于预燃级旋流器组件24内，预燃级喷嘴38采用压力雾化喷嘴。主燃级喷嘴35 的数量P = 20，主燃级喷嘴切角为90度。主燃级外环切向进气槽41的开槽的方式可以为矩形槽。主燃级内旋流器39和主燃级外旋流器40采用的旋流器的级数1 ；每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，旋向选择同向；主燃级外环42的主燃级外环切向进气槽41 切向角度为30°，与主燃级外旋流器40旋向相同。燃油喷嘴分配环36与隔离段13通过螺纹连接，使得主燃级9与预燃级10相互连接。安装过程中燃油喷嘴杆6与主燃级9和预燃级10 —起装入燃烧室内，与头部端壁11轴向和径向定位，形成火焰筒头部7。头部挡溅盘 12和头部端壁11焊接，头部端壁11与火焰筒外壁3和火焰筒内壁5通过螺栓连接。预燃级10产生的低速回流区稳定火焰23。主燃级9所需的燃油由主燃级喷嘴35喷出后，在主燃级分级点前状态首先在主燃级内环通道46的气流作用下雾化形成主燃级分级点前状态油气混合气26，在预燃级10的低速回流区稳定火焰23的引燃下进行燃烧形成主燃级分级点前状态主燃级火焰25，大部分与低速回流区稳定火焰23混合，使主燃级分级点前状态油气混合气26能够得到充足的停留时间，从而达到提高主燃级分级点前状态的燃烧效率，降低主燃级分级点前状态的污染排放量的目的；在主燃级分级点后状态除了一部分燃油在主燃级内环通道46形成油气混合气外，大部分燃油打在主燃级内环43的内侧，在主燃级内环通道46和主燃级外环通道48的气流的作用下形成预膜蒸发模式，在预混预蒸发环管47的出口处形成均勻的主燃级分级点后状态油气混合气29进入火焰筒外壁3和火焰筒内壁5 内部，在预燃级10的低速回流区稳定火焰23的引燃下进行燃烧形成主燃级分级点后状态主燃级火焰22，大部分不进入低速回流区稳定火焰23，从而保证主燃级分级点后状态油气混合气29尽快通过主燃区从而达到降低污染排放，特别是NOx排放的目的。由此可见采用气动主级分级的低污染燃烧室在航空发动机宽广的工作范围内在保证高效稳定燃烧的同时能有效的降低燃烧室的污染排放，在掺混孔气流的辅助下也可以获得较好的出口温度分布性能。本发明未详细阐述部分属于本领域公知常识。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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权利要求
1. 一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述燃烧室为单环腔结构， 采用分级燃烧方式，所述燃烧室由分流式扩压器(1)、燃烧室外机匣(2)、燃烧室内机匣 (4)、燃油喷嘴杆(6)、火焰筒头部(7)、火焰筒外壁(3)和火焰筒内壁(5)组成；所述火焰筒头部⑵由火焰筒头部主要由预燃级(10)、主燃级(9)、隔离段(13)、头部挡溅盘(12)和头部端壁(11)组成；燃烧用气量全部由预燃级(10)和主燃级(9)供入；所述预燃级(10) 采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，所述预燃级(10)包括预燃级旋流器组件(24)和预燃级喷嘴(38)；由预燃级旋流器组件(24)进入的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰 (23)，预燃级旋流器组件(24)与隔离段(13)螺纹连接，预燃级喷嘴(38)位于预燃级旋流器组件(24)内，并与预燃级旋流器组件(24)同轴；所述主燃级(9)采用气动分级的径向喷射供油的预混预蒸发燃烧组织方式，主燃级(9)包括燃油喷嘴分配环(36)、主燃级供油堵环(37)、主燃级内旋流器(39)、主燃级外旋流器(40)、主燃级外环(42)和主燃级内环 (43)；主燃级供油堵环(37)与燃油喷嘴分配环(36)内壁焊接连接，形成了主级供油通道 (33)，燃油喷嘴分配环(36)环面上开有一排径向的主燃级喷嘴(35)，主燃级喷嘴(35)与主燃级供油通道(33)相连，主燃级内旋流器(39)焊接在燃油喷嘴分配环(36)外侧，主燃级内环(43)焊接在主燃级内旋流器(39)外侧，主燃级内环(43)与燃油喷嘴分配环(36)之间形成了主燃级内环通道(46)，主燃级外旋流器(40)焊接在主燃级内环(43)外侧，主燃级外环(42)焊接在主燃级外旋流器(40)外侧，主燃级外环(42)与主燃级内环(43)之间形成主燃级外环通道(48)，主燃级外环(42)与燃油喷嘴分配环(36)之间形成预混预蒸发环管(47)，主燃级外环(42)上开有主燃级外环切向进气槽(41)，燃油喷嘴分配环(36)与隔离段(13)通过螺纹连接，使得主燃级(9)与预燃级(10)相互连接；主燃级(9)所需的燃油由主燃级喷嘴(35)喷出后，主燃级分级点前状态时首先在主燃级内环通道(46)的气流作用下雾化形成主燃级分级点前状态油气混合气(26)，然后流入预混预蒸发环管(47) 中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发环管(47)的出口处形成均勻的油气混合气进入火焰筒外壁(3)和火焰筒内壁(5)内部，在预燃级(10)的低速回流区稳定火焰(23)的引燃下进行燃烧形成主燃级分级点前状态主燃级火焰(25)，大部分与低速回流区稳定火焰 (23)混合，使主燃级分级点前状态油气混合气(26)能够得到充足的停留时间，从而达到提高主燃级分级点前状态的燃烧效率，降低主燃级分级点前状态的污染排放量的目的；在主燃级分级点后状态除了一部分燃油在主燃级内环通道(46)形成油气混合气外，大部分燃油打在主燃级内环(43)的内侧，在主燃级内环通道(46)和主燃级外环通道(48)的气流的作用下形成预膜蒸发模式，在预混预蒸发环管(47)中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发环管(47)的出口处形成均勻的主燃级分级点后状态油气混合气(29)进入火焰筒外壁(3)和火焰筒内壁(5)内部，在预燃级(10)的低速回流区稳定火焰(23)的引燃下进行燃烧形成主燃级分级点后状态主燃级火焰(22)，大部分不进入低速回流区稳定火焰(23)， 从而保证主燃级分级点后状态油气混合气(29)尽快通过主燃区从而达到降低污染排放， 特别是NOx排放的目的；燃油喷嘴杆(6)内部开有主燃级油路(30)和预燃级油路(31)，燃油喷嘴杆(6)与燃油喷嘴分配环(36)焊接，主燃级油路(30)和预燃级油路(31)分别与燃油喷嘴分配环(36)内部的主燃级供油通道(33)和预燃级供油通道(34)相通，相主燃级喷嘴(35)和预燃级喷嘴(38)供油，预燃级喷嘴(38)通过螺纹连接在燃油喷嘴分配环(36) 上，燃油喷嘴杆(6)与燃烧室外机匣(2)相连。头部挡溅盘(12)和头部端壁(11)焊接，头部端壁(11)与火焰筒外壁(3)和火焰筒内壁(5)通过螺栓连接，头部端壁(11)与主燃级外环(42)通过径向和轴向定位连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述的主预燃级分级点前状态为燃烧室最大工作状态的20% 40%，主预燃级分级点前状态为燃烧室最大工作状态的30% 50%，主燃级分级点后状态为燃烧室最大工作状态的 30% 100%。
3.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于在所述火焰筒外壁(3)和火焰筒内壁(5)后部设置有火焰筒掺混孔(8)，掺混气流(20)从火焰筒掺混孔(8)进入火焰筒外壁(3)和火焰筒内壁(5)内，以控制燃烧室出口温度分布。
4.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述分流式扩压器(1)将燃烧室进口气流(14)分为三股一股为火焰筒头部气流(15)、其余两股为燃烧室环腔气流(19)，以满足燃烧室各部分对空气流量的需求。
5.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述预燃级喷嘴(38)为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。
6.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述预燃级旋流器组件(24)采用的旋流器的级数η的取值范围为1 < η < 5 ；每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，或是径向旋流器，或是切向旋流器；当预燃级旋流器组件 (24)的级数η = 1时，旋流器直接与隔离段(13)连接；当预燃级旋流器组件(24)的级数 1<η^5时，各级旋流器先连接成一个整体，组成预燃级旋流器组件(24)后再与隔离段 (13)连接。
7.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述主燃级喷嘴(35)采用在燃油喷嘴分配环(36)环面上开多个孔的喷射方式，主燃级喷嘴 (35)所在的燃油喷嘴分配环(36)的轴线与预燃级喷嘴(38)的轴线处于同一直线上，主燃级喷嘴(35)的数量ρ取值为0 < ρ < 50，主燃级喷嘴切角为-90 90度。
8.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述主燃级内旋流器(39)和主燃级外旋流器(40)采用的旋流器的级数1 ；每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，可以选择同向或反向；主燃级外环(42)的主燃级外环切向进气槽(41)切向角度为10° 80°，与主燃级外旋流器(40)旋向相同或相反。
9.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述燃烧室的燃烧用气全部由火焰筒头部(7)供入，空气分配占燃烧室进口气流的40% 80%:头部端壁(11)的冷却所需气量占全部燃烧气量的0% 25%，预燃级(10)所需气量占全部燃烧气量的10% 40%，其余由主燃级(9)供入。
10.根据权利要求1所述的一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，其特征在于所述燃烧室的火焰筒外壁(3)和火焰筒内壁(5)的冷却方式采用气膜冷却、发散冷却或复合冷却方式，以对壁面温度进行控制延长火焰筒的寿命。
全文摘要
一种采用气动主级分级的低污染燃烧室，由分流式扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、燃油喷嘴杆、火焰筒头部、火焰筒外壁和火焰筒内壁组成。火焰筒头部主要由预燃级、主燃级、隔离段、头部挡溅盘和头部端壁组成。预燃级利用由预燃级旋流器组件进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰。主燃级燃油在主燃级分级点前状态在主燃级内环通道的气流作用下雾化；在主燃级分级点后状态打在在主燃级内环的内侧，在主燃级内环通道和主燃级外环通道的气流的作用下形成预膜蒸发模式。使主燃级分级点前状态主级空气燃油预混气在主燃区内能够得到充足的停留时间，主燃级分级点后状态主级空气燃油预混气大部分不进入低速回流区稳定火焰，保证燃烧室各个工作状态下的充分燃烧和污染排放量的降低。
文档编号F23R3/32GK102200291SQ20111007654
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者付镇柏, 刘高恩, 张弛, 林宇震, 薛鑫, 许全宏 申请人:北京航空航天大学